CN113661607B - 具有防止过充电结构的电池模块、包括该电池模块的电池组及包括该电池组的车辆 - Google Patents

具有防止过充电结构的电池模块、包括该电池模块的电池组及包括该电池组的车辆 Download PDF

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Abstract

根据本公开内容实施方式的电池模块包括：分别具有正极引线和负极引线并且彼此串联连接的第一电池单元和第二电池单元；和短路诱发构件，短路诱发构件具有：长度方向上的一侧，其插置在第一电池单元的负极引线与第二电池单元的正极引线之间以与它们接触；和长度方向上的另一侧，其位于第一电池单元的正极引线与第二电池单元的负极引线之间，其中当第一电池单元的负极引线与第二电池单元的正极引线之间的电位差增加到基准值以上时，短路诱发构件的长度方向上的另一侧朝向第二电池单元的负极引线发生弯曲变形，从而与第二电池单元的负极引线接触。

Description

具有防止过充电结构的电池模块、包括该电池模块的电池组 及包括该电池组的车辆
技术领域
本公开内容涉及一种具有防止过充电结构的电池模块、包括该电池模块的电池组及包括该电池组的车辆。更具体地，本公开内容涉及一种包括电流阻断构件的电池模块、包括该电池模块的电池组及包括该电池组的车辆，该电流阻断构件根据其两端之间的电位差而变形，从而通过在电池模块中所包括的一些电池单元中产生短路来防止过电压。
本申请要求于2019年7月10日在韩国提交的韩国专利申请第10-2019-0083357号的优先权，通过引用将该韩国专利申请的公开内容并入本文。
背景技术
目前，二次电池中使用的熔断器装置包括正温度系数(PTC)热敏电阻器(positivetemperature coefficient thermistor)、热断路器(TCO，thermal cut-out)、热熔断器(thermal fuse)等。然而，热熔断器是一次性的。PTC或TCO可重复使用，但是电阻随着PTC或TCO反复操作而增加，从而增加其电阻并因而增加整个电路的电阻。
此外，上述元件全都是利用由过电流产生的热量来操作的。就是说，上述元件仅在由于过充电等在电路的电流路径上产生过电流并因而温度升高时才进行操作来阻断电流的流动。
因此，上述元件仅在发热已威胁到安全性的情况之后才能够通过操作来阻断过电流，上述元件不可能在出现可能会升高温度的原因时立即阻断过电流。
此外，由于上述元件简单地根据温度操作，所以上述元件难以用在表现出高输出的二次电池，诸如车辆中使用的电池组中。就是说，用于车辆的电池组需要高c速率(highc-rate)，因而不可避免地产生大量热量。然而，当诸如正温度系数(PTC)热敏电阻器(positive temperature coefficient thermistor)、热断路器(TCO，thermal cut-out)、热熔断器(thermal fuse)之类的元件被放置在这种高温环境中时，它们可能被过早地激活。
因此，需要开发采用这样一种装置的二次电池，该装置可重复使用，可用在流动大电流的环境中，并且当发生可能会导致温度升高的事件时，该装置可通过在温度升高之前强制产生短路以消耗电流来预先阻止由过充电引起的过电压的发生。
发明内容
技术问题
设计本公开内容来解决相关技术的问题，因此本公开内容旨在通过在二次电池的温度因过电流引起的发热而升高之前预先可逆地产生短路以消耗电流来预先防止过电压的发生。
然而，本公开内容要解决的技术问题不限于上述内容，本领域技术人员将从以下描述理解到本文中未提及的其他目的。
技术方案
在本公开内容的一个方面中，提供了一种电池模块，包括：分别具有正极引线和负极引线并且彼此串联连接的第一电池单元和第二电池单元；和短路诱发构件，所述短路诱发构件具有：长度方向上的一侧，所述长度方向上的一侧插置在所述第一电池单元的所述负极引线与所述第二电池单元的所述正极引线之间，以与所述第一电池单元的所述负极引线和所述第二电池单元的所述正极引线接触；和长度方向上的另一侧，所述长度方向上的另一侧位于所述第一电池单元的所述正极引线与所述第二电池单元的所述负极引线之间，其中当所述第一电池单元的所述负极引线与所述第二电池单元的所述正极引线之间的电位差增加到基准值以上时，所述短路诱发构件的所述长度方向上的另一侧朝向所述第二电池单元的所述负极引线发生弯曲变形，从而与所述第二电池单元的所述负极引线接触。
所述短路诱发构件可包括：EAP层；形成在所述EAP层的一个表面上的第一金属层；形成在所述EAP层的另一个表面上的第二金属层。
所述第一金属层可电连接至所述第一电池单元的所述负极引线，并且所述第二金属层可电连接至所述第二电池单元的所述正极引线。
当所述短路诱发构件发生弯曲变形时，所述第二金属层可与所述第二电池单元的所述负极引线接触，以在所述第二电池单元中诱发短路。
所述EAP层可包括选自全氟磺酸、聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩中的至少一种聚合物电解质。
所述第一金属层和所述第二金属层可包括选自包括铂、金、银和铜的群组中的至少一种金属。
所述电池模块可进一步包括：连接线，所述连接线配置为将所述第一电池单元的所述正极引线与所述第二电池单元的所述负极引线彼此电连接。
所述电池模块可进一步包括：分别插置在所述第一金属层与所述第一电池单元的所述负极引线之间、以及所述第二金属层与所述第二电池单元的所述正极引线之间的一对PTC元件。
在另一个方面中，根据本公开内容一实施方式的电池组包括：根据本公开内容一实施方式的电池模块。此外，根据本公开内容一实施方式的车辆包括：根据本公开内容一实施方式的电池组。
有益效果
根据本公开内容的实施方式，通过在二次电池的温度因过电流引起的发热而升高之前预先可逆地产生短路以消耗电流，可预先防止过电压的发生，从而确保二次电池在使用中的安全性。
附图说明
附图图解了本公开内容的优选实施方式并且与前述公开内容一起用于提供对本公开内容的技术特征的进一步理解，因而，本公开内容不解释为限于这些附图。
图1是示出根据本公开内容一实施方式的电池模块的示图。
图2是示出根据本公开内容一实施方式的电池模块中采用的电池单元的示图。
图3是示出根据本公开内容一实施方式的电池模块中采用的短路诱发构件和电极引线的示图。
图4是示出当根据本公开内容一实施方式的电池模块中采用的短路诱发构件被施加基准值以上的电位差时，短路诱发构件的弯曲变形的示图。
图5是示出根据本公开内容另一实施方式的电池模块的示图。
图6是示出根据本公开内容一实施方式的电池组的示图。
图7是示出根据本公开内容一实施方式的车辆的示图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的优选实施方式。在描述之前，应当理解，在说明书和所附权利要求书中使用的术语不应被解释为限于一般含义和字典含义，而是应当在允许发明人为了最佳解释而适当地定义术语的原则的基础上，基于与本公开内容的技术方面对应的含义和概念来解释。因此，本文提出的描述仅是用于说明目的的优选示例，并非旨在限制本公开内容的范围，所以应当理解，可在不背离本公开内容的范围的情况下做出其他等同和修改。
下文中，将参照图1至图4描述根据本公开内容一实施方式的电池模块100。
首先，参照图1，根据本公开内容一实施方式的电池模块100包括多个电池单元10和至少一个短路诱发构件20，并且可进一步包括连接线L。
与图1一起参照图2，电池单元10包括电极组件(未示出)、正极引线11、负极引线12、单元壳体13和密封胶带14。
尽管未在图中示出，但是电极组件具有在交替重复堆叠的正极板与负极板之间插置有隔膜的形式，并且优选分别在两个最外侧设置隔膜以进行绝缘。
负极板可包括负极集流体和涂覆在负极集流体的一侧或两侧上的负极活性材料层，并且在负极板的一侧端部形成有未涂覆负极活性材料的负极未涂覆区域。负极未涂覆区域用作负极接片。
正极板包括正极集流体和涂覆在正极集流体的一侧或两侧上的正极活性材料层，并且在正极板的一侧端部形成有未涂覆正极活性材料的正极未涂覆区域。正极未涂覆区域用作正极接片。
此外，隔膜插置在正极板与负极板之间，以防止具有不同极性的电极板彼此直接接触。隔膜可由多孔材料制成，以使得离子可使用电解质作为媒介在正极板与负极板之间移动。
正极引线11通过诸如焊接之类的结合方法与正极接片连接，并且被引出到单元壳体13之外。负极引线12通过诸如焊接之类的结合方法与负极接片连接，并且在与正极引线11相同的方向上被引出到单元壳体13之外。就是说，应用于本公开内容的电池单元10对应于单向引出型电池单元。
单元壳体13包括两个部分，即，容纳电极组件(未示出)的容纳部分13a和沿容纳部13a的外周方向延伸并且在电极引线11、12被引出的状态下热熔合以密封单元壳体13的密封部13b。
尽管未在图中示出，但是通过将由树脂层、金属层和树脂层按顺序堆叠的多层袋膜制成的上部壳体和下部壳体的边缘部分贴附并热熔接来密封单元壳体13。
密封胶带14附接至正极引线11和负极引线12的每一个的外周，并且夹在单元壳体13的密封部13b与电极引线11、12之间。密封胶带14是这样的部件，该部件用来防止在单元壳体13的密封部13b的其中引出电极引线11、12的区域中由于单元壳体13的内侧与电极引线11、12之间的低粘附力而导致单元壳体13的密封劣化。
设置至少两个电池单元10，并且电池单元10彼此串联连接。在本公开内容的附图(图1)中，作为示例示出了四个电池单元10串联连接的情况，但是本公开内容不限于此。就是说，两个电池单元10串联连接的情况、三个电池单元10串联连接的情况、以及五个或更多个电池单元10串联连接的情况也包括在本公开内容的范围内。
下文中，在描述本公开内容时，图1中所示的四个电池单元10按从左到右的顺序将被区别地称为第一电池单元10A、第二电池单元10B、第三电池单元10C和第四电池单元10D。
参照图1，在第一电池单元10A的负极引线12与第二电池单元10B的正极引线11之间、第二电池单元10B的负极引线12与第三电池单元10C的正极引线11之间、以及第三电池单元10C的负极引线12与第四电池单元10D的正极引线11之间分别插置有短路诱发构件20。在这种情况下，连接线L将第一电池单元10A的正极引线11与第二电池单元10B的负极引线12彼此连接，将第二电池单元10B的正极引线11与第三电池单元10C的负极引线12彼此连接，并且还将第三电池单元10C的正极引线11与第四电池单元10D的负极引线12彼此连接。
在描述短路诱发构件20时，将作为示例描述插置在第一电池单元10A的负极引线12与第二电池单元10B的正极引线11之间的短路诱发构件20。
短路诱发构件20将相邻电池单元10A、10B的相对电极引线11、12彼此物理地连接，当第一电池单元10A的负极引线12与第二电池单元10B的正极引线11之间的电位差由于过充电而增大到基准值以上时，短路诱发构件20的形状变形。
由于该形状变形，短路诱发构件20与第二电池单元10B的负极引线12接触，因此，第二电池单元10B的正极引线11与负极引线12彼此直接连接，从而产生短路。如果像这样发生短路，则第二电池单元10B的电压急剧下降，可避免由过充电引起的过电压的风险。
参照图3和图4，示出了通过根据电位差的形状变形来诱发短路的短路诱发构件20的结构和操作原理。
首先，参照图3，短路诱发构件20包括电活性聚合物(EAP，Electro activepolymer)层21、形成在EAP层21的一个表面上的第一金属层22和形成在EAP层21的另一个表面上的第二金属层23。
EAP层21，即，电活性聚合物层对应于由具有优异的离子传输特性的聚合物电解质制成的层，例如，可包括选自全氟磺酸(Nafion)、聚吡咯(polypyrole)、聚苯胺(polyaniline)和聚噻吩(polythiophene)中的至少一种聚合物电解质。
第一金属层22和第二金属层23形成在EAP层21的两个表面上，并且可由具有优异导电性的金属制成。第一金属层22和第二金属层23例如可包括选自铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)中的至少一种金属。
当通过形成在EAP层21的两个表面上的第一金属层22和第二金属层23施加基准值以上的电压时，短路诱发构件20发生形状变形。与图1一起参照图4，设置在第一电池单元10A与第二电池单元10B之间的短路诱发构件20在远离第一电池单元10A的负极引线12的方向上发生弯曲变形，使得第二金属层23与第二电池单元10B的正极引线11和负极引线12二者接触。
就是说，在短路诱发构件20的长度方向上的一侧处，第一金属层22接触第一电池单元10A的负极引线12，并且第二金属层23接触第二电池单元10B的正极引线11。在此，由于在短路诱发构件20的长度方向上的另一侧处，第二金属层23因弯曲变形而与第二电池单元10B的负极引线12接触，所以在第二电池单元10B中产生短路。
短路诱发构件20的弯曲变形的原理如下。例如，在第一金属层22连接至第一电池单元10A的负极引线12并且第二金属层23连接至第二电池单元10B的正极引线11的情况下，聚合物电解质内存在的移动性阳离子(cation)以在水中水合的状态朝向被充电至负极性的第一金属层22移动。在这种情况下，由于第一金属层22与第二金属层23之间的离子浓度的不平衡而导致渗透压，所以在被充电至负极性的第一金属层22处水分子量增加，因而短路诱发构件20产生朝向第二金属层23的弯曲变形。
可导致短路诱发构件20的弯曲变形的电位差取决于用于短路诱发构件20的EAP层21中的聚合物电解质的类型。就是说，本申请中提到的电位差的基准值可根据所使用的聚合物电解质的类型而变化，因此，通过根据被应用短路诱发构件20的电池单元10和电池模块100的安全电压范围选择适当的聚合物电解质，当发生诸如电池模块100的过充电之类的事件时，可通过迅速诱发短路来防止发生由过电压引起的危险。
接下来，将参照图5描述根据本公开内容另一实施方式的电池模块100。
根据本公开内容另一实施方式的电池模块100与根据本公开内容前述实施方式的电池模块100的不同之处仅在于还应用了至少一对PTC元件30，其他部件大致相同。
因此，在描述根据本公开内容另一实施方式的电池模块100时，将详细描述作为额外应用的部件的PTC元件30，其他部件将不详细描述。
PTC元件30具有随着温度升高而逐渐增加的电阻值，并且当温度达到基准温度或更高时，PTC元件30表现出无穷大的电阻值以实质上完全阻断电流。PTC元件30插置在第一电池单元10A的负极引线12与第一金属层22之间、以及第二电池单元10B的正极引线11与第二金属层23之间。此外，PTC元件30插置在第二电池单元10B的负极引线12与第一金属层22之间、以及第三电池单元10C的正极引线11与第二金属层23之间。类似地，PCT元件30插置在第三电池单元10C的负极引线12与第一金属层22之间、以及第四电池单元10D的正极引线11与第二金属层23之间。
此外，PTC元件30可完全涂覆在短路诱发构件20的第一金属层22和第二金属层23上。
当短路诱发构件20由于电池模块100中产生的过电压而进行操作以引起短路时，PTC元件30可在基准温度或更高的温度时切断短路电流，从而预先防止由过热引起的起火或爆炸的风险。
另外，参照图6，根据本公开内容一实施方式的电池组200可包括至少一个根据本公开内容的电池模块100。此外，参照图7，根据本公开内容一实施方式的车辆300可包括根据本公开内容一实施方式的电池组200。
已经详细描述了本公开内容。然而，应当理解的是，表示本公开内容的优选实施方式的详细描述和具体示例仅以举例说明的方式给出，因为根据该详细描述，在本公开内容的范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。

Claims (10)

1.一种电池模块，包括：
分别具有正极引线和负极引线并且彼此串联连接的第一电池单元和第二电池单元；和
短路诱发构件，所述短路诱发构件具有：长度方向上的一侧，所述长度方向上的一侧插置在所述第一电池单元的所述负极引线与所述第二电池单元的所述正极引线之间，以与所述第一电池单元的所述负极引线和所述第二电池单元的所述正极引线接触；和长度方向上的另一侧，所述长度方向上的另一侧位于所述第一电池单元的所述正极引线与所述第二电池单元的所述负极引线之间，
其中当所述第一电池单元的所述负极引线与所述第二电池单元的所述正极引线之间的电位差增加到基准值以上时，所述短路诱发构件的所述长度方向上的另一侧朝向所述第二电池单元的所述负极引线发生弯曲变形，从而与所述第二电池单元的所述负极引线接触，使得所述第二电池单元的所述正极引线与所述第二电池单元的所述负极引线彼此直接连接，从而在所述第二电池单元中产生短路。
2.根据权利要求1所述的电池模块，
其中所述短路诱发构件包括：
电活性聚合物层；
形成在所述电活性聚合物层的一个表面上的第一金属层；和
形成在所述电活性聚合物层的另一个表面上的第二金属层。
3.根据权利要求2所述的电池模块，
其中所述第一金属层电连接至所述第一电池单元的所述负极引线，并且所述第二金属层电连接至所述第二电池单元的所述正极引线。
4.根据权利要求2所述的电池模块，
其中当所述短路诱发构件发生弯曲变形时，所述第二金属层与所述第二电池单元的所述负极引线接触，以在所述第二电池单元中诱发短路。
5.根据权利要求2所述的电池模块，
其中所述电活性聚合物层包括选自全氟磺酸、聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩中的至少一种聚合物电解质。
6.根据权利要求2所述的电池模块，
其中所述第一金属层和所述第二金属层包括选自包括铂、金、银和铜的群组中的至少一种金属。
7.根据权利要求1所述的电池模块，进一步包括：
连接线，所述连接线配置为将所述第一电池单元的所述正极引线与所述第二电池单元的所述负极引线彼此电连接。
8.根据权利要求2所述的电池模块，进一步包括：
分别插置在所述第一金属层与所述第一电池单元的所述负极引线之间、以及所述第二金属层与所述第二电池单元的所述正极引线之间的一对PTC元件。
9.一种电池组，包括根据权利要求1至8中任一项所述的电池模块。
10.一种车辆，包括根据权利要求9所述的电池组。
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